專利名稱：基于非對稱馬赫－曾德型調制器的光模數轉換器的制作方法
技術領域：
本發明屬于信息光電子技術領域，特別涉及光模數轉換器。
背景技術：
模數轉換器(Analog-to-Digital Conversion)簡稱ADC，它是一種將模擬信號轉換成相應數字信號的裝置或者器件。
數字系統在穩定性、抗干擾能力、處理精度、集成度等方面與模擬系統相比具有明顯的優勢，正因為如此，這些年來數字技術取得了飛速的發展，它已經滲透到了各個技術領域。但是自然界中的大多數物理信號都是模擬的，人們不難想到把模擬信號先轉換為數字信號，然后再用數字系統對轉換后的信號進行處理和加工，作為數字和模擬系統接口的模數轉換器便顯得越來越重要。然而，由于電的模數轉換器在很大程度上受到時鐘精度和器件材料本身速度等因素的影響，它的發展并沒有跟上數字處理技術的腳步。在諸如超寬帶通信、相控陣雷達等先進系統中，電的模數轉換越來越成為其發展的瓶頸。而光學系統本身就是超寬帶的，而且目前利用激光鎖模技術能夠得到比現有的電采樣系統低兩個數量級的時鐘抖動(參考文獻P.W.Juodawlkis，J.C.Twichell，G.E.Betts，J.J.Hargreaves，R.D.Younger，J.L. Wasserman，F.J.O’Donnell，K.G.Ray，and R.C.Williamson，“Optically sampled analog-to-digital converters，”IEEE Trans.Microwave Theory and Tech.，vol.49，no.10，pp.1840-1853，Oct.2001)，因此，利用光學的手段進行模數轉換便成了解決該瓶頸的一個有效手段。
根據采樣和量化原理的不同，光模數轉換器大致可以分為以下四類1、解復用型光ADC這種類型的光ADC主要利用了光并行處理的能力，高重復頻率的光脈沖對電信號進行采樣，然后通過時分或者波分解復用的方式將光脈沖分成多路，分別進行電量化。
2、過采樣光ADC其原理與電過采樣技術類似，用光脈沖進行采樣，同時也存在著一個或者多個反饋回路。
3、時域展寬光ADC該類型的光ADC首先利用高重復頻率的光脈沖對待量化電信號進行采樣，然后利用色散光纖將采樣后的脈沖包絡進行展寬，然后利用電ADC進行量化。
4、奈奎斯特光ADC
Taylor所提出的方案(參考文獻H.F.Taylor，“An electro-optic analog-to-digital converter，”Proc.IEEE，vol.63，pp.1524-1525，Oct.1975)就屬于這一類，這種類型光ADC的采樣和量化都是在光域進行。
不難看出，前三類實際上量化過程都是在電域進行的，光只不過起到了輔助的作用，他們均不能從根本上解決電的瓶頸問題，而且這些方案實現起來相對比較復雜，不容易小型化。相比來說，在Taylor的模數轉換方案中，量化就是在光域進行，而且很容易實現集成化，但是一方面該方案對所要轉換的信號電壓要求比較高，這樣就對前面的電域處理提出了很高的要求，另一方面，如果要實現多位的模數轉換，每增加一位，調制器的長度就要增加一倍，這樣不僅調制器的制造比較困難，而且調制速率也會下降，限制了系統帶寬。曾經有人提出在Taylor的方案中采用相同長度的調制器，通過在調制器上所加的信號電壓翻倍來實現調制曲線周期的翻倍(參考專利楊亞培，張謙述，戴基智，張曉霞，劉永智，“一種集成光學M-Z結構模數轉換器”，公開號1635417)，但是這樣對前面電信號的處理就提出了更高的要求，同時也大大限制了系統帶寬，而且對調制器也提出了更高的要求。
2005年，瑞典人Johan Stigwall和Sheila Galt提出了一種不同于Taylor方案的基于相位調制的光模數轉換方案(參考文獻J.Stigwall and S.Galt，“Interferometric analog-to-digitalconversion scheme，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.17，no.2，pp.468-470，Feb.2005.)。本方案給出了一個M-Z(Mach-Zehnder)型干涉儀，其中一臂加入相位調制器來實現待轉換電信號對光脈沖的調制，被調制的光脈沖與另外一臂的光脈沖進行干涉，通過在不同的位置探測干涉后的光強來對電信號進行量化。其基本量化原理如圖1所示，改變調制曲線的直流偏置點等效于平移調制曲線，通過合理地平移調制曲線就可以實現對電信號的量化，圖1所示的情況是相鄰兩條曲線之間的直流偏置點相差π/3，可以看出，如果所加電壓的峰峰值是調制器半波電壓的兩倍(即為該類型模數轉換器的滿度值)，那么通過將光脈沖的光強與閾值進行比較之后就可以量化出6個等級，而且模數轉換后得到的二進制碼相鄰之間也只有一位發生變化，同樣具有Gray碼的優點。同樣地，如果調制電壓剛好是滿度值，并且將兩條相鄰調制曲線之間的直流偏置之差調整為π/N，那么我們就可以得到2N個等級，對應于log2(2N)個量化比特。雖然2N要小于N位的2進制數可以最多表示的2N個等級，但是該模數轉換方案相對Taylor方案來說實現起來要簡單很多，而且可以實現更高的系統帶寬，通過精確控制直流偏置點的偏移量，也可以實現高的轉換比特數。
本發明就是在該理論的基礎上設計了一種新型的光模數裝換器。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于非對稱馬赫-曾德(Mach-Zehnder，簡寫為M-Z)型調制器的光模數轉換器。
本發明含有非對稱的M-Z型調制器、波分解復用器、光探測器陣列以及比較器陣列，其特征在于非對稱M-Z型調制器輸入信號是同步多波長光脈沖輸入和待轉換且峰峰值等于該轉換器滿度值的模擬電信號，而輸出是被調制的多波長脈沖輸出，其中，在輸出的N路光中每相鄰兩路之間的直流偏置點的偏移π/N按下式計算πN=2πλ1no,e(λ1)ΔL-2πλ2no,e(λ2)ΔL]]>其中no，e(λ1)、no，e(λ2)分別為入射到該非對稱M-Z型調制器且波長為λ1、λ2的兩束o光或者e光的折射率，為已知值；ΔL為該非對稱的M-Z型調制器的兩臂的臂長差，為設定值；在N路光中，任意相鄰兩路光之間的直流偏置點的偏移都相等；波分解復用器輸入是該非對稱M-Z型調制器輸出的被調制的多波長光脈沖輸出，而輸出是波長為λ1，λ2，…，λN-1，λN的N路平行的光脈沖輸出；光電探測器輸入為波分解復用器輸出的N路平行的光脈沖；比較器輸入是該光電探測器的N路電平信號，輸出為經過該比較器設定的判決電平判定的N路數字電信號。
本發明的核心是用非對稱的M-Z型調制器對多波長脈沖進行調制。所設計的非對稱M-Z型調制器與目前常用的對稱型調制器相比，在實現上并不會增加任何的困難，電極只是根據需要進行稍微的改動，可以利用現有的所有電極結構。而且對調制器的調制帶寬和半波電壓也基本不會有什么影響，可以實現很高的調制帶寬，同時兩臂的長度差可以控制到±0.5μm的精度，這樣可以使直流偏置點的偏移量得到精確控制，可以實現較高位數的模數轉換。
圖1是本發明所利用的基本模數轉換原理，圖中的三條調制曲線之間有π/3的直流偏置點的偏移，如果所加的電信號峰峰值為滿度值(調制器半波電壓的兩倍)，經過判決之后就可以得到6個數字量化等級。
圖2是本發明的原理框圖。1為非對稱M-Z型調制器，2為波分解復用器，3為光探測器陣列，5為光探測器，4為比較器陣列，6為比較器。
圖3是常用M-Z型調制器的結構圖。7為馬赫-曾德光波導，8為行波電極，9為偏置電極，10為電光LiNbO3襯底，11為輸入光纖，12為輸出光纖。
圖4是四種常用M-Z型調制器的電極結構圖。其中(a)為Z-切不對稱條狀線，(b)為Z-切共平面波導，(c)為X-切不對稱條狀線，(d)為X-切共平面波導，13為電極。
圖5是非對稱M-Z型調制器結構圖，圖中的對稱臂和非對稱臂之間存在一定的長度差ΔL。其中13為電極，14為馬赫-曾德光波導，15為對稱臂，16為非對稱臂。該結構采用了X-切共平面波導的電極設計。除此之外，還可以采用其他類型的電極結構。
圖6是直流偏置點的相對偏移量與波長的關系曲線，其中虛線為e光，實線為o光，起止波長為1520nm和1580nm。
具體實施例方式
本發明的框圖如圖2所示，通過一種非對稱的M-Z型調制器1將待轉換電信號(該電信號需要進行電處理，使得峰峰值等于該轉換器的滿度值)調制在多波長脈沖上，這里需要說明的是不同波長的脈沖之間需要在時間上同步。被調制后的多波長脈沖通過與這些波長對應的波分復用器2被分成多路，每路都有光探測器5來探測該路的光脈沖，光探測器5的輸出信號進入比較器6與事先設定的判決電平進行比較得到二進制的數字信號0或者1，多路組合在一起就得到了與模擬信號對應的數字編碼信號輸出，從而實現了模數轉換。
本發明利用非對稱的M-Z型調制器對不同波長的光脈沖實現調制曲線直流偏置點的移動，通過精確設計非對稱的M-Z型調制器和適當選擇所用的多個波長可以實現相鄰兩路波長之間π/N的偏移，從而可以實現光模數轉換。
常用的M-Z型調制器兩臂是完全對稱的，圖3所示的就是一種M-Z型調制器的結構示意圖。目前商用的M-Z型調制器有多種電極結構，圖4所示的是四種常用的電極結構。
本發明所利用的非對稱M-Z型調制器是指調制的兩臂長度并不完全相等的M-Z型調制器。一種可能的結構如圖5所示，為方便起見，圖中沒有畫出對稱結構時的電極。從圖中可以看出，對稱臂15的長度L1和非對稱臂16的長度L2之間存在差值ΔL＝L1-L2。調制器所用的LiNbO3波導對不同波長的折射率滿足Sellmeier方程no2(λ)=4.9048+0.11768λ2-0.04750-0.027169λ2---(1)]]>ne2(λ)=4.5820+0.099169λ2-0.04443-0.021950λ2---(2)]]>式中的No和ne分別代表o光和e光的折射率，波長λ的單位是μm。
假設有兩束波長分別為λ1和λ2波長的光入射到兩臂長度差為ΔL的非對稱M-Z型行波調制器中，這兩個波長的光以o光在調制器中傳播。當光在出射端干涉時，如果沒有微波信號調制，則λ1和λ2的光兩臂間的相位差分別為 這兩個相位差之間的差值為 假設λ1＝1545nm，λ2＝1545.8nm，ΔL＝40μm，計算可得Δ＝0.190594≈π/16則當有微波信號調制時，就相當于λ1和λ2的調制曲線的直流偏置點之間有π/16的偏移。
圖6所示為ΔL＝40μm時波長為λ的光的直流偏置點相對于初始波長λo(圖中為1520nm)的直流偏置點的偏移量，即 其中，實線代表o光，虛線代表e光。從圖中可以看出，該偏移量具有很好的線性度，有利于波長的選擇和非對稱M-Z型調制器的設計。
我們可以適當選擇多個波長λ1，λ2，λ3，…，λN，適當設計非對稱M-Z型調制器的兩臂長度差ΔL，使得 這樣就實現了這N路光每相鄰兩路之間的直流偏置點有π/N的偏移。這N個波長的光通過解復用器分成λ1，λ2，λ3，…，λN這N路，每路由探測器探測并由比較器進行判決得到各自的數字信號b1，b2，b3，…，bN，這樣N路輸出就組成了輸入模擬信號對應的數字編碼信號。
具體實施方法如下首先，通過計算得到合適的波長λ1，λ2，λ3，…，λN和兩臂長度差。假設要利用該發明實現一個有效比特位為5模數轉換器，則N＝25/2＝16，說明需要十六個波長，首先粗略計算可得當ΔL＝41μm時波長的間隔為0.8nm，與DWDM通信用波長間隔相等，選用初始波長為DWDM標準波長1520.25nm，則計算可得λ1＝1520.25nm，λ2＝1521.03nm，λ3＝1521.03nm，λ4＝1521.80nm，λ5＝1523.35nm，λ6＝1524.13nm，λ7＝1524.91nm，λ8＝1525.69nm，λ9＝1526.47nm，λ10＝1527.25nm，λ11＝1528.03nm，λ12＝1528.82nm，λ13＝1529.60nm，λ14＝1530.39nm，λ15＝1531.17nm，λ16＝1531.96nm這些波長與DWDM通信標準波長吻合的非常好，便于激光器的選擇。
通過電處理方式將待模數轉換的電信號的峰峰值調整為非對稱M-Z調制器半波電壓的兩倍(即滿度值)，然后將處理后的電信號通過該調制器調制在已經時間同步的多波長脈沖上，然后通過與這些波長對應的波分解復用器將他們分成16路，依次為λ1，λ2，λ3，…，λ16，然后將光探測器探測到的信號輸入到比較器，比較器的判決電平為每路最大輸出電平的1/2，通過比較器之后得到的數字信號為b1b2b3…b16，便是對原電信號進行有效比特位為5的模數轉換結果。
權利要求
1.基于非對稱馬赫-曾德型調制器的光模數轉換器，其特征在于含有非對稱的M-Z型調制器、波分解復用器、光探測器陣列以及比較器陣列，其中非對稱M-Z型調制器輸入信號是同步多波長光脈沖輸入和待轉換且峰峰值等于該轉換器滿度值的模擬電信號，而輸出是被調制的多波長脈沖輸出，其中，在輸出的N路光中每相鄰兩路之間的直流偏置點的偏移π/N按下式計算πN=2πλ1no,e(λ1)ΔL-2πλ2no,e(λ2)ΔL]]>其中no，e(λ1)、no，e(λ2)分別為入射到該非對稱M-Z型調制器且波長為λ1、λ2的兩束o光或者e光的折射率，為已知值；ΔL為該非對稱的M-Z型調制器的兩臂的臂長差，為設定值；在N路光中，任意相鄰兩路光之間的直流偏置點的偏移都相等波分解復用器輸入是該非對稱M-Z型調制器輸出的被調制的多波長光脈沖輸出，而輸出是波長為λ1，λ2，…，λN-1，λN的N路平行的光脈沖輸出；光電探測器輸入為波分解復用器輸出的N路平行的光脈沖；比較器輸入是該光電探測器的N路電平信號，輸出為經過該比較器設定的判決電平判定的N路數字電信號。
全文摘要
基于非對稱馬赫－曾德型調制器的光模數轉換器屬于光模數轉換器技術領域，其特征在于，用非對稱M－Z調制器把待轉換的電信號調制在輸入的同步多波長光脈沖上，選擇合適的兩臂差ΔL和N個波長，可以使得在出射端每相鄰兩個波長之間的直流偏置點的偏移量均為π/N，被調制的多波長光脈沖再經過波分復用器分成時間上同步的N路光脈沖，通過光電探測器和比較器判決后，就可以得到N路數字信號輸出。本發明能實現很高的調制帶寬，而且通過精確控制非對稱M－Z型調制器兩臂的長度差，可以使相鄰兩路直流偏置點的偏移量得到精確控制，實現較高位數的模數轉換，而且也易于實現。
文檔編號G02F7/00GK101021666SQ200710064139
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月2日 優先權日2007年3月2日
發明者吳慶偉, 張洪明, 姚敏玉 申請人:清華大學